Ein gemeinsames Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE), des französischen Halbleiterproduzenten Soitec, des Mikroelektronik- und Nanotechnologieforschungszentrums CEA-Leti im französischen Grenoble und des Helmholtz Zentrums Berlin (HZB) hat einen Effizienzweltrekord für Solarzellen aufgestellt. Nach knapp drei Jahren Forschung gelang es den Wissenschaftlern, eine Solarzelle herzustellen, die 44,7 Prozent der gesamten Energie im Sonnenspektrum, von der kurzwelligen ultravioletten Strahlung bis hin zur langwelligen Wärmestrahlung, in elektrische Energie umwandelt. Dabei haben sie das Sonnenlicht auf das 297fache konzentriert. „Das ist ein bedeutender Schritt hin zu einer weiteren Kostensenkung für Solarstrom und auf dem Weg zur 50 Prozent Solarzelle“, betonen die Forscher. „Wir sind überglücklich und stolz auf unser Team, das seit drei Jahren an dieser Vierfachsolarzelle arbeitet“, sagt Frank Dimroth, Abteilungs- und Projektleiter für das Entwicklungsvorhaben am Fraunhofer ISE.
Unterschiedliche Spektralbereiche absorbieren
Die Rekordsolarzelle basiert auf einer neuen Solarzellenstruktur mit vier Teilsolarzellen. Bei solchen Mehrfachsolarzellen werden mehrere Zellen aus unterschiedlichem Halbleitermaterial, das aus Elementen der III. Und V. Hauptgruppe des Periodensystems besteht, übereinander gestapelt. Auf diese Weise absorbieren die einzelnen Teile der Solarzellen unterschiedliche Spektralbereiche des Lichts, was zu einer Erhöhung der Effizienz führt. „Diese Vierfachsolarzelle enthält unser über viele Jahre angesammeltes Wissen“, erklärt Dimroth. „Neben verbessertem Material und optimierter Struktur spielt vor allem ein neues Verfahren, das Wafer-Bonden, eine zentrale Rolle.“ Mit diesem Verfahren verbinden die Wissenschaftler zwei Halbleiterkristalle miteinander, die aufgrund unterschiedlicher Kristallgitter nicht aufeinander passen. So können sie die optimale Halbleiterkombination für höchst effiziente Solarzellen herstellen. Schon im Mai dieses Jahres hatte das gleiche deutsch-französische Team eine ähnliche Solarzelle mit 43,6 Prozent Wirkungsgrad hergestellt. „Daran anknüpfend führten weitere intensive Forschungsarbeit und Optimierungsschritte zum vorliegenden Weltrekord von 44,7 Prozent“, schreibt das Fraunhofer ISE.
Vom Weltraum auf die Erde
Die Technologie, an der die Forscher arbeiten, wird in der Konzentratorphotovoltaik (CPV) eingesetzt. Dabei geht es darum, an sonnenreichen Standorten der Welt doppelt so hohe Wirkungsgrade wie konventionelle Solarzellen zu ermöglichen. Der Nachteil: Die CPV kommt mit diffuser Sonneneinstrahlung nicht zurecht. Sie brauch die direkte Einstrahlung auf die Solarzelle. Früher wurde diese Art der Solarzellen ausschließlich in der Raumfahrt eingesetzt. Jetzt werden sie auch für die Stromproduktion auf der Erde. Soitec, eine Ausgründung des Fraunhofer ISE, hat bereits Kraftwerke mit dieser Technologie unter anderem in Italien, Frankreich, Südafrika und 15 weiteren Staaten gebaut. Das jüngste dieser Kraftwerke wurde Anfang Juli dieses Jahres in Kalifornien fertiggestellt. Es hat eine Gesamtleistung von 1,5 Megawatt. „Der Weltrekord bestätigt die Beschleunigung unserer Roadmap hin zu höheren Wirkungsgraden, ein Schlüsselfaktor für die Wettbewerbsfähigkeit unserer eigenen CPV-Systeme“, erklärt André Auberton-Hervé, Vorstandsvorsitzender und Geschäftsführer von Soitec.
Einen ausführlichen Bericht über den Stand der deutschen Solarforschung in der Welt lesen Sie in der nächsten Ausgabe von ERNEUERBARE ENERGIEN.
